开普勒发现火星椭圆轨道，创立行星运动三定律

2023-08-16 理论教育版权反馈

【摘要】：但开普勒发现，火星并非作匀速圆周运动。经过4年的观察和苦思冥想，他发现火星的轨道是椭圆形，于是得出了开普勒第一定律：火星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳处于两焦点之一的位置。随着火星椭圆形轨道的发现，火星运动的计算全面展开了。开普勒创立的行星运动三大定律，使天文学进入了一个新的阶段，为牛顿发现万有引力定律奠定了基础。

第谷在刚开始进行这项大计划时，在短期的重病后突然离开了人世。第谷临终前对开普勒说：“我一生都在观察星表，我要得到一种准确的星表，我的目标是一千颗星……我希望你能把我的工作继续下去，我把我的一切资料都交给你，愿你把我观察的结果发表出来，你不会使我失望吧？”开普勒含泪站在第谷的床前，沉痛地说：“我会！”开普勒知道应该怎样感激这位老人。

开普勒没有让第谷失望，1627年，《鲁道尔夫星行表》在乌尔姆出版了，第谷的名字载入了科学史册。第谷逝世后，国王的顾问巴尔维茨前来看望开普勒，并根据国王的命令委派开普勒管理已故丹麦天文学家的仪器，并完成他未竞的事业。他利用第谷留下的大量的天体观测资料，进行了仔细的分析研究。

火星轨道的计算使开普勒的研究方法发生了根本性的变化。过去他是空想宇宙体系的结构，现在他“汗流浃背，气喘如牛地跟踪着造物主的足迹”，就是说把他的研究颠倒了一下，依靠天体来研究几何学，从此，他开始设想建立一种没有假设的天文学。

▲第谷建立的汶岛天文台

当时，不论是地心说还是日心说，都认为行星作匀速圆周运动。但开普勒发现，火星并非作匀速圆周运动。经过4年的观察和苦思冥想，他发现火星的轨道是椭圆形，于是得出了开普勒第一定律：火星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳处于两焦点之一的位置。随着火星椭圆形轨道的发现，火星运动的计算全面展开了。开普勒通过计算发现，火星运动的速度是不匀速的，当它离太阳较近时运动得较快，离太阳远时运动得较慢，但从任何一点开始，向径（太阳中心到行星中心的连线）在相等的时间所扫过的面积相等。这就是开普勒第二定律（面积定律）。但是，开普勒关于火星运动的著作《新天文学》在历尽艰辛和迟延后，直到1609年夏天才正式出版，该书还指出，两个定律同样适用于其他行星和月球的运动。这本著作是现代天文学的奠基石。

然而，早已放弃了自己天文学野心的国王顾问滕格纳尔却没有认识到开普勒的伟大成就，即使当时一些著名的天文学家也是这样。开普勒看到自己的著作遭到许多人的轻视和误解，一直保持沉默，但他丝毫没有失去信心，把一切希望都寄托在另一个追求科学真理的人身上，这个人的正确评价对开普勒的两大定律能够得到世人的认可是至关重要的，他就是帕多瓦大学数学教授伽利略。早在格拉茨时，开普勒就想和伽利略建立联系，他把《宇宙的奥秘》寄给了伽利略。那时，伽利略就觉察到他是哥白尼宇宙体系的信徒和保卫者，认为开普勒是他“探寻真理的一位朋友”。

1610年3月15日，国王顾问瓦克尔·冯·瓦肯费尔斯坐车经过开普勒的寓所。“开普勒！”他坐在车上喊，“伽利略在帕多瓦用一个双透镜望远镜发现了四颗新行星。”开普勒听完十分激动。不久之后，他就得到了伽利略发现的详细情况。当得到《星球的使者》后没几天，他就起草了一封祝贺信送给伽利略。此后开普勒一再努力，终于得到了一架望远镜，使他能够用自己的眼睛来检验伽利略的发现。他把观察结果写进了一本小册子《论木星卫星》，为伽利略的发现提供了最好的旁证。

1619年，正当世界历史迈出不可抗拒的一步的时候，科学也向前走进了一个新阶段。德国乃至欧洲爆发了流血战争，宗教战争一直持续着，科学和神学的斗争也时刻没有停止。正是这年，开普勒著成《宇宙谐和论》。这部著作凝聚着他十多年的心血，以及长期繁杂的计算和无数次的失败，它不仅是第一次系统地论述了近代科学的法则，而且完成了古典科学的复兴，标志着天文学发展到了新的高峰，使开普勒创立的行星运动的第三定律（周期定律），即行星绕太阳公转运动的周期的平方与它们椭圆轨道的半长轴的立方成正比的理论得以问世。

开普勒创立的行星运动三大定律，使天文学进入了一个新的阶段，为牛顿发现万有引力定律奠定了基础。

然而，这位伟大的科学家一生是在经济困苦和操劳跋涉中度过的。1630年11月15日，他在贫病交困中寂然死去。在他墓前的石碑上刻着：“我欲测天高，现在量地深。上苍赐我灵魂，凡俗的肉体安睡在地下。”这是开普勒离世前写下的两行诗。

开普勒发现火星椭圆轨道，创立行星运动三定律

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